Теоретические циклы и схемы газовых детандерных холодильных машин (регенеративные и не регенеративные , замкнутые и разомкнутые)

ГХМ – это машины цикл которых осуществляется только в зоне сухого перегретого пара без фазового перехода рабочего вещ-ва По принципу получения низких температур газовые холодильные машины (ГХМ) делятся на два типа: 1)Детандерные ГХМ; 2)Вихревые ГХМ

Детандерный не регенеративный замкнутый цикл ГХМ.

После теплообменного аппарата газ поступает в компрессор и сжимается в процессе 1-2. В процессе сжатия повышается температура газа до температуры Т₂. После компрессора сжатый горячий газ направляется в промежуточный охладитель, в котором охлаждается в процессе 2-3. Далее охлажденный холодильный агент расширяется в детандере в процессе 3-4. При расширении температура газа резко снижается до температуры Т₄. После детандера холодный газ поступает в теплообменный аппарат, в котором нагревается в процессе 4-1, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Затем подогретый хладагент всасывается компрессором, сжимается и цикл повторяется вновь.

Детандерный регенеративный замкнутый цикл ГХМ. Работа такой газовой холодильной машины отличается тем, что после промежуточного охладителя предварительно охлажденный газ состояния 3 направляется в регенеративный теплообменник, в котором еще больше охлаждается в процессе 3-4 за счет теплообмена с холодным обратным потоком, идущим из теплообменного аппарата. В тоже время обратный холодный поток в регенеративном теплообменнике нагревается в процессе 6-1 за счет теплообмена с прямым теплым потоком. Детандерный разомкнутый регенеративный цикл ГХМ.

Атмосферный воздух с температурой окружающей среды всасывается компрессором, и сжимается в процессе 1-2 от давления Р₁ до Р2. После компрессора сжатый горячий воздух через клапанную коробку поступает в регенератор, где охлаждается в процессе 2-3 за счет теплообмена с обратным холодным потоком, выходящим из теплообменного аппарата. Далее охлажденный холодильный агент адиабатно расширяется в детандере, процессе 3-4 от давления Р₂ до давления Р₁, равного давлению Р_атм. После детандера холодный воздух направляется в теплообменный аппарат и подогревается в процессе 4-5,. Затем подогретый холодильный агент поступает в регенератор, где еще нагревается в процессе 5-6 за счет теплообмена с горячим потоком, выходящим из компрессора. После регенератора горячий воздух через клапанную коробку выбрасывается в атмосферу, где охлаждается до температуры окружающей среды в процессе 6-1.

 

18 Вихревые газовые машины используют эффект Ранка. Цикл, как правило, разомкнут. Область применения – производство, как холода, так и тепла.

ПО – промежуточный теплообменник 1-2 – сжатие в КМ

ВТ – вихревая труба 2-3 – промежуточное охлаждение в ПО

ВО – воздухоохладитель 3-4 – производство холодной части воздуха в ВТ

4-5 – отепление воздуха в ВО, теплота подводится от охлаждаемой среды

3-6 – нагревание периферийной части воздуха в ВТ

5-6 – смешение холодного(т.5) и нагретого(т.6) воздуха до состояния(т.1) в случае замкнутого цикла ХМ

Вихревые газовые машины могут работать по нерегенеративному или регенеративному циклу. Воздух невзрывоопасен, гигиеничен, может подаваться прямо в охлаждаемое помещение, только на воздухе можно практически осуществлять циклы с тепломассообменом, что позволяет обойтись без водяного теплообменника, снизить металлоемкость машины и сделать ее более простой в эксплуатации, а при необходимости и транспортабельной. В вихревой трубе до низкой температуры охлаждается обычно не более 50—70% от полного массового расхода газа. Охлаждение с помощью вихревого эффекта энергетически невыгодно. Тем не менее, вихревые газовые машины компактны, просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и относительно дешевы, поэтому их применение оправдано только в машинах специального назначения или в тех случаях, когда они работают периодически в течение коротких промежутков времени.

 

19 Принцип действия термоэлектрической холодильной машины (ТХМ) основан на использовании термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье).Термоэлектрическая батарея состоит из ряда соединенных между собой термоэлементов. Термоэлементы выполнены из двух полупроводников, имеющих разную проводимость: электронную (n-типа) и дырочную (р-типа). В зависимости от назначения и конкретных условий работы соединение полупроводников может быть последовательным, каскадным или комбинированным. При последовательном соединении обеспечивается наибольшая площадь контакта с охлаждаемой средой и наибольшая холодопроизводительность. Каскадное соединение позволяет получить максимальную разность температур холодного и горячего спаев, но меньшую площадь контакта. Термоэлементы по форме могут быть, прямоугольными, круглыми, кольцевыми или секторными. В качестве термоэлектрических материалов применяются полупроводниковые сплавы. Основной показатель качества термоэлементов является коэффициент добротности Z, К^-1.где α – коэффициент термоэлектродвижущей силы, Вт/К; σ – удельная электропроводность, Ом^-1 ∙ м^-1; λ – удельная теплопроводность материала, Вт /(м ∙ К) Коэффициент добротности определяет максимальную разность температур горячих и холодных спаевгде Т_х – температура холодного спая, К. Наибольшим коэффициентом добротности обладают многокомпонентные соединения на основе теллуридов висмута и сурьмы. Добротность ветвей термоэлементов, изготовленных из этих материалов составляет (3 - 3,3) 10^-3 К^-1. Это позволяет при температуре горячего спая Т_г = 30 ^оС получить температуру на холодном спае Т_х = (-45 ÷ -50)^оС, т.е. ∆Т_мах = (75 – 80)^оС. Материалы для изготовления ветвей термоэлементов выбираются с учетом температурного диапазона работы, прочностных характеристик, совместимости с конструкционными материалами, стабильности термоэлектрических свойств, возможности реверсирования тепловых потоков, стоимости и т.д. Сплавы на основе Sb₂Te – Bi₂Te₃ и Bi₂Te₃ – Bi₂Se₃ достаточно хорошо отвечают необходимым требованиям. Электрическое соединение ветвей термоэлементов осуществляется через коммутационный переход. Основными требованиями, предъявляемыми к коммутационному переходу, являются малое контактное электрическое сопротивление, исключение диффузии его компонентов в полупроводники и достаточная эластичность при тепловом реверсировании. Наиболее часто в качестве шин коммутационных переходов служат медь, алюминий и заливочный материал на основе висмута. Соединение электроведущих шин с ветвями термоэлементов осуществляется пайкой, напылением, прижимом, склеиванием и другими способами. Для улучшения теплообмена горячих спаев с охлаждающей средой и холодных спаев с охлаждаемой средой на рабочих плоскостях термоэлектрических батарей, как правило, располагаются теплообменники. По характеру соединения теплообменников с термоэлементами различаются безызоляционные соединения и с электроизоляционными соединениями. В безызоляцыонных конструкциях все термоэлементы имеют индивидуальные теплообменники, которые могут выполнять и функции коммутационных пластин. Такие соединения применяют только в случае использования диэлектрических теплоносителей. В конструкциях с электроизоляционными соединениями между теплообменником и токоведущими элементами батареи располагается слой электроизоляции. По виду среды теплообменники бывают водяные и воздушные. В некоторых ТХМ используются промежуточные теплоносители с изменяющимся агрегатным состоянием. Водяной теплообменник представляет собой плиту или пластину с внутренними каналами, по которым циркулирует вода. Воздушные теплообменники имеют большую площадь теплообмена. Увеличение площади теплообменной поверхности осуществляется игольчатым или пластинчатым оребрением. В качестве конструкционных материалов для теплообменников обычно применяются медь или алюминий. Взаимосвязь термоэлектрических эффектов. Анализ работы и расчет термоэлектрических холодильных машин основан на взаимодействии термоэлектрических явлениях: Эффекта Зеебека, эффекта Пельтье, эффекта Томпсона и др. Эффект Зеебека заключается в том, что при поддержании различных температур на спаях двух полупроводников в цепи возникает термоэлектродвижущая сила и в цепи появляется электрический ток. На данном принципе основана работа термопар для измерения температур. ТермоЭДС на концах разомкнутой цепи определяется по уравнению В том случае, когда термоэлектрическая цепь состоит из однородных полупроводников дырочной или электронной проводимости, их термоЭДС оказываются противоположно направленными. Тогда: α_р = α_р1 - α_р2, α_n = α_n1 - α_n2. где α_р и α_n – коэффициенты термоЭДС дырочного и электронного полупроводников, Вт/К. Если термоэлектрическая батарея состоит из полупроводников различной проводимости, то их коэффициенты темоЭДС суммируется по абсолютным значениям, т.е. Для цепи, состоящей из n последовательно соединенных пар плоупроводников, термоэлектродвижущая сила равна:

или для цепи из двух полупроводников ΔЕ = α (Т_г – Т_х) Эффект Пельтье заключается в том, что при протекании электрического тока через два, спаянных между собой полупроводника, в местах спаев возникают различные температуры: один спай становится горячим, другой – холодным. Теплота, выделяемая или поглощаемая на горячем и холодном спаях, называется теплотой Пельтье. Теплота Пельтье определяется по формуле: где П – коэффициент Пельтье; I – сила тока, А. Коэффициент Пельтье связан с эффектом Зеебека следующим соотношением Тогда: Эффект Томпсона заключается в поглощении теплоты по всей длине термоэлементов. Наличие разности температур вдоль материала батареи приводит к тому, что электроны на горячем спае приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Эта разность потенциалов неодинакова и приводит к возникновению термоэлектродвижущей силы. При этом возникает тепловой поток Томпсонагде τ – коэффициент Томпсона. Для рассмотрения взаимодействия между термоэлектрическими эффектами термоэлектрическую холодильную машину можно представить как машину, в которой рабочим веществом является электрический ток (электрический газ). Термодинамический цикл в S-T – диаграмме холодильной машины, в которой отсутствуют дополнительные потери, показан на рисунке 7.1. Процесс 4-1 – процесс подвода теплоты Пельтье к холодному спаю; процесс 1-2 – процесс поглащения теплоты Томпсона полупроводником n-типа; процесс 2-3 – процесс отвода теплоты Пельтье от горячего спая; процесс 3-4 – процесс выделения теплоты Томпсона от полупроводника p-типа.

Рисунок- Схема и цикл термоэлектрической холодильной машины. В веществах с различными типами полупроводников эффект Томпсона практически равен нулю и в расчетах, как правило, не учитывается.Количество теплоты Пельтье, подведенное к холодному спаю или теоретическая холодопроизводительность машины: Количество теплоты, отведенной от горячего спая: Работа цикла 1234, которую совершает термоЭДС при протекании электрического тока, равна разности отведенной и подведенной теплоты к спаям, т.е. Теоретический холодильный коэффициент цикла: Таким образом, теоретический коэффициент цикла термоэлектрической холодильной машины равен холодильному коэффициенту цикла Карно. В действительности работа термоэлемента сопровождается необратимыми потерями. Во-первых, при протекании электрического тока по цепи в термобатареи, выделяется теплота Джоуля-Ленца: где R – электрическое сопротивление термоэлементов, Ом. Считается, что в первом приближении Q_дж распределяется между спаями поровну, т.е.: Q^х_дж = Q^г_дж = 0,5 Q_дж Во-вторых, за счет теплопроводности материала термобатареи, часть теплоты от горячего спая передаётся холодному спаю в количестве С учетом потерь действительная холодопроизводительность термоэлектрической холодильной машины Q_о.д и количество теплоты, отведенной от горячего спая Q_г.д, будут равны: Потребляемая мощность: Действительный холодильный коэффициент Важными режимами работы термоэлектрической холодильной машины является режим максимального холодильного коэффициента ε_max, режим максимальной холодопроизводительности Q_о.max и режим минимального тока I_min.

 

20 В общем случае компрессорами называют машины, предназначенные для сжатия и перемещения различных газов. Различные газы являются рабочими веществами для многих пневматических машин и технологических устройств.

Компрессоры, работающие в составе холодильных машин, имеют значительные отличительные особенности от других типов компрессоров. Такие компрессоры выделены в отдельную группу, которая называется “Холодильные компрессоры”.

- По типу газораспределения в цилиндре: прямоточные и непрямоточные;

- По степени герметичности на герметичные, бессальниковые и сальниковые;

- По взаимному креплению цилиндра и картера: на блок-картерные и блок-цилиндровые;

- По конструкции кривошипно-шатунного механизма: крейцкопфные и бескрейцкопфные;

- По диапазону работы на высоко-, средне- и низкотемпературные;

- По холодопроизводительности на малые, средние и крупные;

- По числу рабочих полостей цилиндра: на компрессоры простого действия и двойного действия;

- По виду рабочего вещества холодильные компрессоры делятся на аммиачные, фреоновые, пропановые, воздушные и др.;

- По виду охлаждения: на компрессоры с водяным охлаждением и с воздушным охлаждением, с охлаждением паром холодильного агента, с комбинированным охлаждением;

- По способу смазки трущих деталей: на компрессоры с принудительной смазкой, разбрызгиванием, комбинированной смазкой и без смазки;

- По количеству ступеней сжатия на одно-, двух-, многоступенчатые;

- По количеству цилиндров: одно-, двух-, четырех-, шести- и так далее;

- По расположению осей цилиндров – вертикальные, горизонтальные, оппозитные и угловые.

 

21. Поршневой компрессор - компрессор объемного действия, рабочие органы которого выполнены в виде поршней, перемещающихся прямолинейно и возвратно-поступательно в цилиндрах

Поршневой компрессор - это самый распространенный тип компрессора, который применяется во всех областях холодильной техники. Он работает на хладагентах, требующих относительно небольшого объема цилиндров и конденсирующихся при относительно высоком давлении. Поршневые компрессоры чаще всего работают на хладагентах R12, R22, R500, R502 и R7I7 (аммиак), а также на их заменах, безопасных для окружающей среды.
Поршневые компрессоры могут быть простого и двойного действия. В компрессорах простого действия сжатие пара происходит только по одну сторону поршня, а в компрессорах двойного действия пар сжимается попеременно по обе стороны поршня, т. е. дважды за один оборот коленчатого вала.
Непрактично использовать компрессор двойного действия в установках небольшого размера из-за сложности его конструкции. Поэтому компрессоры этого типа нашли распространение только в больших промышленных установках, Стоимость компрессора двойного действия значительно выше стоимости компрессора простого действия, но он более доступен для обслуживания, ток как его картер изолирован от хладагента в системе. Основной недостаток компрессора этого типа заключается в том, что уплотнение штока подвергается попеременному воздействию давления всасывания и нагнетания, а сальник коленчатого вала в компрессоре простого действия испытывает только воздействие давления всасывания.
Это серьезный недостаток, так как намного сложнее поддерживать герметичность уплотнения штока, совершающее возвратно-поступательное движение в компрессоре двойного действия, чем герметичность уплотнения вращающегося вала в компрессоре простого действия.

Поршневые компрессоры простого действия отличаются большим разнообразием конструкций в зависимо-сти от назначения. Как указывалось раньше, они классифицируются на сальниковые, герметичные и бес-сальниковые.
Производительность компрессора зависит от количества и расположения цилиндров, типа поршней, типа и расположения клапанов, частоты вращения коленчатого вала и скорости хода поршня, диаметра цилиндра и длины хода поршня, типа коленчатого вала, способа смазки и др.

Поршневые компрессоры при холодопроизводительности до 300кВт имеют следующие преимущества и недостатки.

Преимущества:

1. Более высокие объемные и энергетические показатели.

2. Меньшие массогабаритные показатели.

3. Высокая технологичность конструкции.

4. Хорошая взаимозаменяемость узлов и деталей компрессора.

5. Упрощение конструкции с уменьшением холодопроизводительности компрессора.

6. Возможность работы на различных холодильных агентах.

7. Более высокое отношение давления в одной ступени сжатия.

Недостатки:

1.Малая уравновешенность конструкции.

2.Сложность конструкции.

3.Меньшая надежность работы компрессора.

4.Большое наличие пар трения в компрессоре.

5. Наличие смазочного масла в сжимаемом паре холодильного агента, выходящего из компрессора.

6.Более низкое давление всасывания при одинаковой температуре кипения в испарителе.

7. Наличие пульсации потоков во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Теоретический поршневой компрессор

Рисунок 1 – Индикаторная диаграмма теоретического поршневого компрессора.

Теоретическим называется компрессор, у которого отсутствуют все энергетические и объемные потери.

Основными элементами теоретического поршневого компрессора являются: цилиндр (1),поршень (2),всасывающий клапан (3), нагнетательный клапан (4).

1.2 Действительный поршневой компрессор

Рабочие процессы в действительном компрессоре значительно отличаются от теоретического компрессора. На работу действительного компрессора оказывают влияние ряд факторов, которые с одной стороны уменьшают объемную производительность, с другой стороны повышают потребляемую мощность.

Основные факторы следующие:

1. Наличие “мертвого” объёма.